Файл: 1-337.pdf

44 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

100 4

1970 1980 1990 2000 2010 2020

Год

Рис.

 Тенденции увеличения диаметра кристаллической подложки СБИС

ствуют 2-3-летние исследования, а собственно переход на пластины увели-
ченного диаметра происходит в среднем один раз в 9 лет.

Пока основные успехи в плане увеличения емкости СБИС связаны с уменьше-

нием размеров элементарных транзисторов и плотности их размещения на крис-
талле. Здесь тенденции эволюции СБИС хорошо описываются эмпирическим за-
коном Мура [168]. В 1965 году Мур заметил, что число транзисторов, которое

удается разместить на кристалле микросхемы, удваивается каждые

 месяцев. Он

предсказал, что эта тенденция сохранится в 70-е годы, а начиная с 80-х темп роста
начнет спадать. В 1995 году Мур уточнил свое предсказание, сделав прогноз, что

удвоение числа транзисторов далее будет происходить каждые 24 месяца.

Создание интегральных микросхем предполагает два этапа. Первый из них но-

сит

 литографии

 и заключается в получении маски, определяющей струк-

туру будущей микросхемы. На втором этапе маска накладывается на полупроводни-
ковую пластину, после чего пластина облучается, в результате чего и формируется
микросхема. Уменьшение размеров элементов на кристалле напрямую зависит от
возможностей технологии (рис. 1.9).

100

1960 1970 1980 1990 2000

Год

Рис

 Размер минимального элемента на кристалле интегральной микросхемы

Перспективы совершенствования архитектуры

 и ВС 45

Современный уровень литографии сделал возможным серийный выпуск СБИС,

в которых размер элемента не превышает 0,13 мкм. Чтобы оценить перспективы
развития возможностей литографии на ближайший период, обратимся к прогнозу
авторитетного эксперта в области полупроводниковых технологий — International
Technology Roadmap for Semiconductors. Результаты прогноза относительно буду-
щих достижений литографии, взятые из отчета за 2001 год [185], приведены на

рис. 1.10.

2000 2005 2010 2015 2020

Год

Рис.

 Прогноз максимальных размеров элементов на кристалле

Наконец, еще одна общая тенденция в технологии СБИС — переход от алюми-

ниевых соединительных линий на кристалле на медные. «Медная» технология
позволяет повысить быстродействие СБИС примерно на 10% с одновременным
снижением потребляемой мощности.

Приведенные выше закономерности определяют общие направления совершен-

ствования технологий СБИС. Для более объективного анализа необходимо при-
нимать во внимание функциональное назначение микросхем. В аспекте архитек-
туры ВМ и ВС следует отдельно рассмотреть «процессорные» СБИС и СБИС
запоминающих устройств.

Тенденции развития элементной базы

процессорных устройств

Современные технологии производства сверхбольших интегральных микросхем

позволяют разместить на одном кристалле логические схемы всех компонентов
процессора. В настоящее время процессоры всех вычислительных машин реали-
зуются в виде одной или нескольких

 Более того, во многих многопроцес-

сорных ВС используются СБИС, где на одном кристалле располагаются сразу
несколько процессоров (обычно не очень сложных). Каждый успех создателей про-
цессорных СБИС немедленно положительно отражается на характеристиках ВМ
и ВС. Совершенствование

 СБИС ведется по разным направлениям.

Для целей данного учебника основной интерес представляет увеличение количе-
ства логических элементов, которое может быть размещено на кристалле, и повы-

шение быстродействия этих логических элементов. Увеличение быстродействия
ведет к наращиванию производительности процессоров даже без изменения их

архитектуры, а в совокупности с

 плотности упаковки логических эле-

46 Глава  Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

ментов

 возможности для реализации ранее недоступных архитектур-

ных решений.

К увеличению числа логических элементов на кристалле ведут три пути-:

• увеличение размеров кристалла;
• уменьшение размеров элементарных транзисторов;
• уменьшение ширины проводников, образующих внутренние шины или соеди-

няющих логические элементы между собой.
Увеличение размеров кристаллов процессорных СБИС происходит в соответ-

ствии с ранее рассмотренными общими тенденциями и не имеет каких-либо осо-
бенностей.

Плотность упаковки логических элементов в процессорных СБИС принято

оценивать количеством транзисторов, из которых, собственно, и строятся логи-
ческие схемы процессора. Общие тенденции в плане плотности упаковки просле-
дим на примере линейки микропроцессоров фирмы Intel (рис.

 Из рисунка

видно, что количество транзисторов в микропроцессорах, выпущенных до 2002 года,
хорошо согласуется с законом Мура. Та же закономерность прослеживается и для

других типов процессорных СБИС. Достаточно близки и абсолютные показатели
разных микропроцессоров, выпущенных приблизительно в один и тот же период.
Так, микропроцессор Pentium 4 фирмы Intel содержит 42 млн транзисторов, а мик-
ропроцессор Athlon XL фирмы AMD — 37 млн.

Чтобы оценить перспективы роста плотности упаковки на ближайшие два де-

сятилетия, на рис.

 дополнительно приведены прогностические данные на пе-

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

 2020

Год

Рис.

 Тенденции увеличения количества транзисторов на кристаллах процессорных СБИС

Перспективы совершенствования архитектуры ВМ и ВС 47

риод до 2020 года, взятые из [185]. Нетрудно заметить, что прогноз также не слиш-
ком расходится с уточненным законом Мура. Общий итог можно сформулировать
следующим образом:

 плотность упаковки логических схем процессорных СБИС каж-

дые два года будет возрастать вдвое.

В качестве параметра, характеризующего быстродействие логических схем про-

цессорных СБИС, обычно используют так называемую внутреннюю тактовую ча-
стоту. На рис. 1.12 показаны значения тактовых частот микропроцессоров фирмы
Intel. Из графика видно стремление к росту внутренней тактовой частоты процес-
сорных СБИС:

 удвоение частоты происходит в среднем каждые два года.

 На ри-

сунке присутствует также прогноз на ближайший период (данные взяты из [185]),
из которого явствует, что в ближайшем будущем темп увеличения внутренней так-

товой частоты может несколько снизиться.

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Год

Рис.

 Тенденции увеличения внутренней тактовой частоты процессорных СБИС

Тенденции развития полупроводниковых

запоминающих устройств

По мере повышения возможностей вычислительных средств растут и «аппетиты»

программных приложений относительно емкости основной памяти. Эту ситуацию
отражает так называемый закон Паркинсона: «Программное обеспечение увели-
чивается в размерах до тех

 пока не заполнит всю доступную на данный мо-

мент память». В цифрах тенденция возрастания требований к емкости памяти
выглядит так: увеличение в полтора раза каждые два года. Основная память совре-
менных ВМ и ВС формируется из СБИС полупроводниковых запоминающих ус-

тройств, главным образом динамических ОЗУ. Естественные требования к таким

СБИС: высокие плотность упаковки запоминающих элементов и быстродействие,
низкая стоимость.

48 Глава

 Становление и эволюция цифровой вычислительной техники

Плотность упаковки запоминающих элементов на кристалле динамического

ОЗУ принято характеризовать емкостью хранимой информации в битах. Пред-

ставление о сойременном состоянии и перспективах на ближайшее будущее дает
график, приведенный на рис. 1.13. Для СБИС памяти также подтверждается спра-
ведливость закона

 и предсказанное им уменьшение темпов повышения

ности упаковки. В целом можно предсказать, что

 число запоминающих элементов

на кристалле будет возрастать в два раза каждые полтора года.

Ю

5

ю-

2

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Год \

Рис.

 Тенденции увеличения количества запоминающих элементов на кристалле

СБИС динамических запоминающих устройств

1980 1985 1990 1995 2000

Год

Рис.

 Разрыв в производительности процессоров и динамических

запоминающих устройств

С быстродействием СБИС памяти дело обстоит хуже. Высокая скорость про-

цессоров уже давно находится в противоречии с относительной медлительностью